21.5: Matumizi ya Radioisotopes

Malengo ya kujifunza

• Orodha ya matumizi ya kawaida ya isotopu za

Isotopu za mionzi zina tabia sawa za kemikali kama isotopu imara za elementi moja, lakini hutoa mionzi, ambayo inaweza kugunduliwa. Ikiwa tunachukua nafasi moja (au zaidi) atomi (s) na radioisotopu (s) katika kiwanja, tunaweza kuwafuatilia kwa kufuatilia uzalishaji wao wa mionzi. Aina hii ya kiwanja inaitwa tracer ya mionzi (au lebo ya mionzi). Radioisotopu hutumiwa kufuata njia za athari za biochemical au kuamua jinsi dutu inavyosambazwa ndani ya kiumbe. Wafanyabiashara wa mionzi pia hutumiwa katika maombi mengi ya matibabu, ikiwa ni pamoja na utambuzi na matibabu. Wao hutumiwa kupima kuvaa inji, kuchambua malezi ya kijiolojia karibu na visima vya mafuta, na mengi zaidi.

Radioisotopes zimebadilisha mazoezi ya matibabu, ambapo hutumiwa sana. Zaidi ya milioni 10 taratibu za dawa za nyuklia na vipimo vya dawa za nyuklia zaidi ya milioni 100 hufanyika kila mwaka nchini Marekani. Mifano minne ya kawaida ya tracers mionzi kutumika katika dawa ni technetium-99\(\ce{(^{99}_{43}Tc)}\), thallium-201\(\ce{(^{201}_{81}Tl)}\), iodini-131\(\ce{(^{131}_{53}I)}\), na sodium-24\(\ce{(^{24}_{11}Na)}\). Tissue zilizoharibiwa ndani ya moyo, ini, na mapafu hupata misombo fulani ya technetium-99 kwa upendeleo. Baada ya kuingizwa, eneo la kiwanja cha technetium, na hivyo tishu zilizoharibiwa, zinaweza kuamua kwa kuchunguza mionzi γ iliyotolewa na isotopu ya Tc-99. Thallium-201 (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)) inakuwa kujilimbikizia katika tishu afya ya moyo, hivyo isotopu mbili, Tc-99 na Tl-201, hutumiwa pamoja ili kujifunza tishu za moyo. Iodini-131 huzingatia tezi ya tezi, ini, na sehemu fulani za ubongo. Kwa hiyo inaweza kutumika kufuatilia goiter na kutibu hali ya tezi, kama vile ugonjwa wa kaburi, pamoja na tumors ya ini na ubongo. Ufumbuzi wa chumvi zenye misombo ya sodium-24 huingizwa ndani ya damu ili kusaidia kupata vikwazo kwa mtiririko wa damu.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Kusimamia thallium-201 kwa mgonjwa na hatimaye kufanya mtihani wa dhiki hutoa wataalamu wa matibabu fursa ya kuibua kuchambua kazi ya moyo na mtiririko wa damu. (mikopo: mabadiliko ya kazi na “Blue0ctane” /Wikimedia Commons)

Mtaalamu wa matibabu anamsaidia mtu mzee mwenye kichwa juu ya treadmill na sensorer na waya za umeme zilizounganishwa na torso yake.

Isotopu za radioisotopu zinazotumiwa katika dawa huwa na nusu-maisha mafupi-kwa mfano, TC-99m inayojulikana ina nusu ya maisha ya masaa 6.01. Hii inafanya TC-99m kimsingi haiwezekani kuhifadhi na ghali sana kusafirisha, hivyo inafanywa kwenye tovuti ya badala. Hospitali na vituo vingine vya matibabu hutumia Mo-99 (ambayo kimsingi hutolewa kutoka kwa bidhaa za U-235 za fission) ili kuzalisha Tc-99. Mo-99 inakabiliwa na kuoza β na nusu ya maisha ya masaa 66, na Tc-99 hutolewa kwa kemikali (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Nuclide mzazi Mo-99 ni sehemu ya ion molybdate,\(\ce{MoO4^2-}\); wakati kuoza, ni aina ya ion pertechnetate,\(\ce{TcO4-}\). Hizi mbili ions maji mumunyifu ni kutengwa na chromatography safu, na juu malipo ya molybdate ion adsorbing kwenye alumini katika safu, na chini malipo pertechnetate ion kupitia safu katika ufumbuzi. Micrograms chache za Mo-99 zinaweza kuzalisha Tc-99 ya kutosha kufanya vipimo vingi kama 10,000.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): (a) Jenereta ya kwanza ya TC-99m (circa 1958) hutumiwa kutenganisha Tc-99 kutoka Mo-99. Ya \(\ce{MoO4^2-}\)inachukuliwa na tumbo katika safu, wakati \(\ce{TcO4-}\)inapita kupitia na inakusanywa. (b) Tc-99 ilitumika katika skanisho hili la shingo la mgonjwa mwenye ugonjwa wa Grave. Scan inaonyesha eneo la viwango vya juu vya Tc-99. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Idara ya Nishati; mikopo b: mabadiliko ya kazi na “MBQ” /Wikimedia Commons)

Picha ya kwanza inaonyesha mkono unayomwagilia kioevu kutoka silinda ya kupimia kwenye safu iliyoshikiliwa na kamba. Chini ya safu ni tube ya kioo. Picha ya pili inaonyesha dots nyekundu kwenye background ya giza iliyoenea kila mahali na matangazo manne ya mikoa yenye kujilimbikizia.

Radioisotopes pia inaweza kutumika, kwa kawaida katika dozi ya juu kuliko kama tracer, kama matibabu. Tiba ya mionzi ni matumizi ya mionzi ya juu-nishati kuharibu DNA ya seli za saratani, ambayo huwaua au inawazuia kugawanya (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Mgonjwa wa saratani anaweza kupokea tiba ya mionzi ya boriti ya nje iliyotolewa na mashine nje ya mwili, au tiba ya mionzi ya ndani (brachytherapy) kutoka kwa dutu ya mionzi ambayo imeanzishwa ndani ya mwili. Kumbuka kuwa chemotherapy ni sawa na tiba ya mionzi ya ndani kwa kuwa matibabu ya saratani huingizwa ndani ya mwili, lakini inatofautiana kwa kuwa chemotherapy hutumia kemikali badala ya vitu vyenye mionzi ili kuua seli za saratani.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): cartoon katika (a) inaonyesha mashine ya cobalt-60 iliyotumiwa katika kutibu kansa. Mchoro katika (b) unaonyesha jinsi gantry ya mashine ya Co-60 inavyozunguka kupitia arc, ikilenga mionzi kwenye eneo lililolengwa (tumor) na kupunguza kiasi cha mionzi inayopita kupitia mikoa ya karibu.

A. mwanamke amelala chini kama yeye huenda katika kuba umbo mashine ya matibabu. B. mtazamo wa karibu wa kichwa cha wanawake unaonyesha mionzi ya gamma kutoka mashambulizi ya cobalt ya mionzi lengo juu ya kichwa cha mwanamke.

Cobalt-60 ni radioisotopu ya synthetic inayozalishwa na uanzishaji wa neutroni wa Co-59, ambayo kisha inakabiliwa β kuoza kuunda Ni-60, pamoja na chafu ya mionzi γ. Mchakato wa jumla ni:

\[\ce{^{59}_{27}Co + ^1_0n⟶ ^{60}_{27}Co⟶ ^{60}_{28}Ni + ^0_{−1}β + 2^0_0γ} \nonumber \]

Mpango wa kuoza kwa jumla kwa hili umeonyeshwa graphically katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\).

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Co-60 hupata mfululizo wa kuoza kwa mionzi. Uzalishaji γ hutumiwa kwa tiba ya mionzi.

Radioisotopes hutumiwa kwa njia mbalimbali za kujifunza utaratibu wa athari za kemikali katika mimea na wanyama. Hizi ni pamoja na uwekaji mbolea katika tafiti za matumizi ya virutubisho na mimea na ukuaji wa mazao, uchunguzi wa michakato ya utumbo na maziwa katika ng'ombe, na masomo juu ya ukuaji na kimetaboliki ya wanyama na mimea.

Kwa mfano, radioisotopu C-14 ilitumika kufafanua maelezo ya jinsi usanisinuru unatokea. Majibu ya jumla ni:

\[\ce{6CO2}(g)+\ce{6H2O}(l)⟶\ce{C6H12O6}(s)+\ce{6O2}(g), \nonumber \]

lakini mchakato ni ngumu zaidi, unaendelea kupitia mfululizo wa hatua ambazo misombo mbalimbali ya kikaboni huzalishwa. Katika masomo ya njia ya mmenyuko huu, mimea walikuwa wazi kwa CO ₂ zenye mkusanyiko mkubwa wa\(\ce{^{14}_6C}\). Kwa vipindi vya kawaida, mimea ilichambuliwa ili kuamua ni misombo ya kikaboni iliyo na kaboni-14 na kiasi gani cha kila kiwanja kilikuwapo. Kutoka mlolongo wa wakati ambapo misombo ilionekana na kiasi cha kila sasa kwa vipindi vya wakati fulani, wanasayansi walijifunza zaidi kuhusu njia ya majibu.

Matumizi ya kibiashara ya vifaa vya mionzi ni tofauti (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Wao ni pamoja na kuamua unene wa filamu na karatasi nyembamba za chuma kwa kutumia nguvu za kupenya za aina mbalimbali za mionzi. Dosari katika metali zinazotumiwa kwa madhumuni ya kimuundo zinaweza kugunduliwa kwa kutumia mionzi ya gamma ya juu-nishati kutoka cobalt-60 kwa mtindo sawa na jinsi X-rays hutumika kuchunguza mwili wa binadamu. Katika aina moja ya udhibiti wa wadudu, nzizi hudhibitiwa na kuzaa nzizi za kiume na mionzi γ ili wanawake wanaozalisha nao wasizalishe watoto. Vyakula vingi vinahifadhiwa na mionzi inayoua microorganisms zinazosababisha vyakula viharibike.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Matumizi ya kawaida ya kibiashara ya mionzi ni pamoja na (a) uchunguzi wa X-ray wa mizigo kwenye uwanja wa ndege na (b) kuhifadhi chakula. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Idara ya Navy; mikopo b: mabadiliko ya kazi na Idara ya Kilimo ya Marekani)

A. mtu ni kuangalia kufuatilia ambayo inaonyesha X-ray ya mizigo. B. apples wengi juu ya mikanda ya usindikaji.

Americium-241, emitter α yenye nusu ya maisha ya miaka 458, hutumiwa kwa kiasi kidogo katika detectors ya moshi ya aina ya ionization (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)). Uzalishaji α kutoka Am-241 ionize hewa kati ya sahani mbili za electrode katika chumba cha ionizing. Betri hutoa uwezekano unaosababisha harakati za ions, hivyo kujenga umeme mdogo wa sasa. Wakati moshi unapoingia kwenye chumba, harakati za ions zimezuiwa, kupunguza conductivity ya hewa. Hii inasababisha kushuka kwa alama kwa sasa, na kusababisha kuchochea kengele.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Ndani ya detector ya moshi, Am-241 hutoa chembe α ambazo ionize hewa, na kujenga umeme mdogo wa sasa. Wakati wa moto, chembe za moshi huzuia mtiririko wa ions, kupunguza sasa na kuchochea kengele. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na “Muffet” /Wikimedia Commons)

Ndani ya detector ya moshi inavyoonyeshwa na chumba cha kengele na ionization kinachoitwa. Katika picha kando yake, schematic inaonyesha utaratibu wa detector ya moshi. Mbili oppositely kushtakiwa metali sahani katika detector ni inavyoonekana pamoja na chanzo Americium katika sehemu ya chini kutoa chembe alpha. Mpangilio umegawanywa katika sehemu mbili, moja kuonyesha uwepo na nyingine kwa kutokuwepo kwa moshi.

Muhtasari

Misombo inayojulikana kama tracers mionzi inaweza kutumika kufuata athari, kufuatilia usambazaji wa dutu, kutambua na kutibu hali ya matibabu, na mengi zaidi. Dutu nyingine za mionzi zinasaidia kudhibiti wadudu, miundo ya kutazama, kutoa onyo la moto, na kwa programu nyingine nyingi. Mamia ya mamilioni ya vipimo vya dawa za nyuklia na taratibu, kwa kutumia aina mbalimbali za radioisotopes na nusu ya maisha mafupi, hufanyika kila mwaka nchini Marekani. Wengi wa radioisotopu hizi zina nusu-maisha mafupi kiasi; baadhi ni mafupi ya kutosha kwamba radioisotopu lazima ifanyike kwenye tovuti katika vituo vya matibabu. Tiba ya mionzi hutumia mionzi ya juu-nishati kuua seli za saratani kwa kuharibu DNA zao. Mionzi inayotumiwa kwa matibabu hii inaweza kutolewa nje au ndani.

faharasa

chemotherapy

sawa na tiba ya ndani ya mionzi, lakini kemikali badala ya vitu vyenye mionzi huletwa ndani ya mwili kuua seli za kansa

tiba ya mionzi ya nje

mionzi iliyotolewa na mashine nje ya mwili

tiba ya mionzi ya ndani

(pia, brachytherapy) mionzi kutoka dutu mionzi kuletwa ndani ya mwili kuua seli za kansa

tiba ya mionzi

matumizi ya mionzi high-nishati kuharibu DNA ya seli za kansa, ambayo unaua yao au kuwazuia kugawa

tracer mionzi

(pia, studio ya mionzi) radioisotopu inayotumiwa kufuatilia au kufuata dutu kwa kufuatilia uzalishaji wake wa mionzi